土地利用变化改变土地原有的生态服务价值和功能^[1-2], 深入研究土地利用时空格局变化及其对生态服务价值及功能的影响可揭示土地利用对人类活动程度的响应, 对于理解人与自然的关系具有重要的意义。我国经济的快速发展和人口的迅速增长^[3-4], 已使土地利用结构和生态服务价值发生显著变化^[5-6], 倍受国内外学者的高度关注^[7-10]。我国北方农牧交错带是一条生态脆弱的过渡带和生态安全屏障带, 也是以生态保护为主体功能的限制性开发区, 具有独特的地理分布格局和土地利用变化过程, 已成为研究的热点^{[1, 11]}。流域是跨区联系密切、生态关联性很高的有机整体, 以流域为完整研究单元研究我国北方农牧交错带土地利用及其对生态服务功能价值的影响将更具系统性和挑战性。近年来我国北方农牧交错带内大多数流域的土地利用和生态服务价值已发生剧烈变化, 利用土地利用变化速度指数、生态服务价值指数、生态价值贡献率指数和敏感性指数揭示带内典型流域的长时间序列土地利用变化及其生态服务功能价值的影响对于指导我国北方农牧交错带流域土地资源开发利用和生态环境保护将具有重要的理论意义和现实价值。

洋河流域是我国北方农牧交错带的典型流域, 是首都北京重要的水源保护地和生态保护屏障, 对京津冀大都市圈的生态环境保护具有很重要的地位和作用^[12]。目前已有学者对洋河流域部分河段的土地利用变化进行了初步研究^{[6, 13-16]}, 但是对整个流域土地利用时空变异及其对生态服务功能价值影响的研究仍相当匮乏, 这不利于指导整个区域的协调发展。另外, 随着洋河流域的张家口市与北京市联合举办2022年冬奥会筹备工作的逐步展开, 国家将对北京-张家口市的原有土地利用格局做出重大调整；充分理解洋河流域土地时空变异及其对生态服务价值和功能的影响可为冬奥会场地生态环境的合理规划建设提供重要参考。本文以遥感解译数据为基础, 对整个洋河流域长时间序列(1990—2013年)土地利用格局和过程的变化及其生态系统服务功能价值的影响进行深入地研究, 以期为我国北方农牧交错带流域土地资源的合理利用与管理、为2022年北京-张家口冬奥会场地的生态环境保护、甚至整个京津冀大都市圈的可持续发展提供重要的理论依据和决策支持。

1 研究区域概况

洋河流域地处我国北方西部草原牧区和东部农耕区之间的农牧交错地带, 其经纬度113°29′32″E—115°43′40″E, 39°59′42″N—41°15′3″N之间, 流域西起内蒙古自治区和山西省, 由西北向东南进流入河北省境内, 在张家口市的怀来县与桑干河一起汇入永定河, 最终注入北京官厅水库, 属于永定河支流。洋河干流全长约262 km, 流域总面积1.62×10⁴ km², 沿途经过内蒙古自治区乌兰察布市的兴和县(1个县)、山西省大同市阳高县和天镇县(2个县)与河北省张家口市(1个县)及其管辖8个县(图 1)。

2 数据来源和研究方法 2.1 洋河流域土地利用数据来源及分析

1990、2000和2013年洋河流域土地利用数据采用中国科学院资源环境数据中心提供的1:10万土地利用数字化地图, 并结合相应时段美国陆地卫星Landsat TM数字影像进行检查和校正。参照中国科学院资源环境数据中心土地分类系统, 结合洋河流域土地利用类型特点, 将研究区土地类型分为6个一级类型：耕地、林地、草地、水域、城镇用地、工矿用地和未利用地。为保证获取数据的解译质量和一致性, 利用GPS在野外对洋河流域土地利用解译结果进行了选点验证, 统计各土地利用类型的解译精度均在85%以上。根据数字地图和高程(DEM)数据, 利用ArcGIS 10.2对1990、2000和2013年洋河流域土地数据进行分析。

2.2 洋河流域不同土地的生态服务功能价值 2.2.1 生态服务价值变化

根据生态服务价值功能的估算方法^[11], 其计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中, ESV_K表示土地类型K的生态服务价值(百元), 本研究中6种土地利用类型分别为：耕地K=1、林地K=2、草地K=3、水域K=4、未利用地K=5、城镇工矿用地K=6。由于城镇工矿用地的生态服务价值系数为零^{[17, 18]}, 因而未参与本文生态服务价值的计算。ESV_F代表生态服务功能F的服务价值(百元), ESV代表流域生态服务总价值(百元), A_K表示K类土地的面积(km²), V_VCKF表示K类土地的F种生态服务功能的价值系数(百元km^-2 a^-1), 本研究涉及9种生态服务功能, 分别是食物生产F=1, 原材料生产F=2, 气体调节F=3, 气候调节F=4, 水源涵养F=5, 废物处理F=6, 土壤形成与保护F=7, 生物多样性保护F=8, 提供美学景观F=9。利用平均加权法求得洋河流域生态服务价值的修正系数：山西为0.46、内蒙为0.44、河北为1.02, 因而整个洋河流域修正系数0.778^[17-18], 结合谢高地等对全国土地生态功能服务价值系数的研究^[17-18], 得到洋河流域的生态服务价值系数如表 1所示。

2.2.2 生态贡献率

分析1990—2000, 2000—2013, 1990—2013年3个时期洋河流域各类土地的生态贡献率, 可以确定流域生态服务价值的主要贡献因子和敏感因子。生态贡献率计算公式如下^[19]：

(4)

式中, S_KT表示K类土地在时间段T的生态服务贡献率(%); ΔESV_KT表示K类土地在时间段T内的生态服务价值变化量(万元)。

2.2.3 敏感性

用敏感性指数(C_CS)表征生态服务价值随时间变化对价值指数变化的依赖程度^[20-23], 若C_CS>1, 说明研究区域内的生态服务价值ESV对C_CS富有弹性；如果C_CS < 1, 则不富有弹性, 说明价值系数适合研究区域。C_CS越大, 表明准确性越关键。本文在洋河流域生态服务价值系数基础上, 上下调整50%^[20], 其计算公式(5) 所示^[20]：

(5)

式中，ESV_I和ESV_J表示价值系数调整前后的总价值(万元)；V_VCKI和V_VCKJ代表值系数调整前后K类土地的价值系数。

2.2.4 单一土地利用动态度

单一土地利用动态度是刻画不同土地利用类型在一定时间段内的变化速度和幅度的指标, 反映人类活动对单一土地利用类型的影响, 其公式为^[24]：

(6)

式中，k值为t₁到t₂时段内某土地利用类型动态度(%), u_a、u_b为研究初期t₁及研究末期t₂某类型土地面积(km²), t₁为1990和2000年, t₂为2000和2013年。

3 结果与分析 3.1 洋河流域土地利用的时空演变

1990、2000和2013年洋河流域的土地面积变化如表 2所示。洋河流域土地主要类型以耕地、林地和草地为主, 分别占总面积的43%, 33%和17%以上, 与中国北方农牧交错带其他地区的主要土地类型基本一致^[24-25]。1990—2013年洋河流域的耕地、草地和水域面积减少, 林地、未利用地面和城镇工矿用地面积增加, 城镇工矿用地变化幅度相对较大, 这可能与2013年洋河流域核心区域张家口市的均GDP比1990年增加35.252万元, 人口增长23.62万^[26], 耕地被大量建设成住宅和公共设施有关^[3-4]；该结论与其他研究相类似。另外, 北方的退耕还林还草政策^[27-28]是导致洋河流域耕地减少, 林地增加的原因之一。

土地的转移情况如图 2所示, 土地的转移主要发生在耕地、林地和草地之间。1990—2000年耕地的转出主要发生在阳高县和天镇县的上游和洋河的张家口河段, 在阳高县和天镇县主要是耕地转化成林地和草地, 而在洋河的张家口段主要是转化为城镇矿工用地；林地和草地的转移主要发生在阳高县、天镇县和尚义县和兴和县, 在阳高县、天镇县林地主要向耕地转移, 其次是草地, 在兴和县主要向草地转移；草地主要向耕地转移(图 2)。2000—2013年兴和县发生大面积的耕地转移, 在阳高县、天镇县和兴和县耕地主要转化为林地、草地、其次是城镇工矿用地, 在洋河中下游张家口市、宣化县和怀来县耕地主要转向城镇矿工用地；在小清水河上游林地向草地转移。草地在兴和县主要转向耕地, 在清水河的张家口市主要转向城镇矿工用地(图 2)。不同时期尚义县、阳高县和天镇县土地主要在林地、草地和耕地之间转移, 在张家口市和宣化县主要由其他用地向城镇矿工用地转移(图 2)。不同时期洋河流域的土地变化主要发生在兴和县、阳高县、天镇县和张家口市, 但是2000—2013年比1990—2000年的土地变化范围更大(图 2)。

1990—2013年洋河流域各市县不同土地利用类型面积的变化如表 3所示, 张北县和尚义县的耕地略有增加；其他县均在减少, 减少最多的是阳高县和张家口市, 这是由于旱地的减少所致^[14]。万全县、兴和县和阳高县的林地面积增加, 增加最大的是阳高县。兴和县、天镇县和怀安县的草地增加, 其中兴和县增加最大。兴和县、阳高县和张家口市的水域面积减少, 其他县市增加。未利用地的面积变化主要集中在城镇矿工用地面积较大的怀来县、怀安县、张家口市、天镇县和阳高县。每个县市的城镇矿工用地面积都在增加, 增加最快的是张家口市, 其次是怀来县和宣化县。不同时期耕地、草地、水域、未利用地和城镇矿工用地的面积变化幅度为：2000—2013年>1990—2000年, 而在城镇面积较大的张家口市、阳高县、宣化县和崇礼县的林地面积变化幅度为：2000—2013>1990—2000, 其他县市则相反, 这主要是由于2000年后我国北方实施的退耕还林还草所致^[15]。

3.2 洋河流域土地利用类型变化的速度

1990—2013年间洋河流域单一土地利用类型变化的速度(动态度)k由大到小分别为：城镇工矿用地>林地>水域>未利用地>耕地>草地(表 4)。2000—2013年间流域城镇工矿用地的k最大, 其次是未利用地。除林地以外, 2000—2013年其他单一土地利用动态度k的绝对值均高于1990—2000年, 说明该时段洋河流域大多数土地类型明显受人类或自然环境变化的影响。

3.3 生态敏感性

从1990年开始洋河流域林地的敏感性指数呈逐年增加的趋势, 耕地的敏感性指数呈减小趋势(表 5), 说明林地和耕地生态服务功能价值变化对洋河流域土地生态服务总价值具有放大和缩小效应；草地的敏感性指数先减小后增加(表 5), 说明草地的价值系数变化对区域内生态服务总价值先具缩小效应而后具放大效应；水域和未利用地的敏感性指数基本不变(表 5), 说明二者的价值系数变化对区域内生态服务总价值没有明显影响。1990—2013年洋河流域各类土地的敏感度指数均小于1(表 5), 说明流域生态系统服务价值对本研究采用的价值系数缺乏弹性, 本文采用的价值系数适合洋河流域的情况, 计算的服务价值是可信的。

3.4 洋河流域土地利用生态服务价值变化

1990—2000年洋河流域土地利用年度总体生态服务价值增加2557.6万元, 增长了0.353%, 2000—2013年减少5504.1万元, 减少了0.758%(表 6)。除了林地和未利用地, 1990—2013年洋河流域其他几类土地类型的生态服务价值均减少。

1990—2013年洋河流域不同县市土地的生态服务功能如表 7所示, 生态服务价值最大的是崇礼县, 其次是兴和县和宣化县。1990—2013年生态服务价值在尚义县、天镇县和阳高县的呈先减小后增大的“Ⅴ”型变化, 在万全县、兴和县和涿鹿县则相反。阳高县1990—2013年的生态服务价值增加了587.2万元, 其他县均在减少, 其中兴和县、怀来县、宣化县和张家口市减量较大, 主要是由于草地和水域减少所致^[16]。

3.5 洋河流域各生态功能服务价值的变化

近20年洋河流域各项功能价值均减少, 减少总量达2946.4万元/a, 其中废物处理价值减小了589.0万元/年, 减幅最大, 其次减幅由高到低的顺序依次分别为土壤形成与保护功能价值、水源涵养功能价值和生物多样性保护价值(表 8), 这种减小趋势与河北省其他地区各项生态功能价值增加的变化规律不同^[10], 但与内蒙古地区变化相似^[9], 可能与研究区的地理位置和生态条件等有关。1990—2013年洋河流域的四类一级生态服务功能中调节服务功能和支持服务功能年总价值为372547.1—375379.9万元和222950.3—244607.7万元, 分别占所有土地年服务价值的51%和30%以上。1990—2013年洋河流域的9种二级功能服务中, 土壤形成与保护功能价值最大, 其次分别是生物多样性保护、水源涵养、气候调节、气体调节、废物处理、原材料生产、提供美学景观和粮食生产的价值。

3.6 洋河流域不同土地生态服务价值变化的贡献率

1990—2000年和2000—2013年流域不同土地生态服务价值变化的贡献率最大的是林地和耕地, 分别为83.171%和43.295%。1990—2013年耕地(55.215%)、林地(12.355%)和草地(20.957%)的生态贡献率最大, 三者之和超过88%(表 9)。1990—2000和2000—2013年两个时期耕地、林地的贡献率变化分别是36.576%和43.768%, 说明1990—2013年耕地和林地是洋河流域生态服务价值变化主要贡献因子和的敏感因子。

4 结论

(1)1990—2013年洋河流域的主要土地利用类型是林地、耕地和草地, 三者占整个流域面积的93%以上, 在该期间内耕地、草地和水域的面积减少, 其中耕地减少最大, 林地、未利用地和城镇工矿用地的面积增加, 城镇工矿用地增幅度最大；流域增加的林地主要集中于阳高县、万全县和兴和县, 其他区县市的林地则减小。除林地外, 2000—2013年洋河流域其他单一土地利用类型变化的速度高于1990—2000年。

(2)1990—2013年洋河流域土地的转移主要发生在林地、耕地、草地和城镇矿工用地之间。流域西部的阳高县、天镇县、兴和县和尚义县, 耕地主要向草地和林地转移, 草地主要向耕地转移, 林地主要向草地和耕地转移；张家口市和宣化县和怀来县的耕地主要转向城镇矿工用地。2000—2013年流域土地面积变化幅度和变化范围皆高于1990—2000年, 说明近年来人类活动对流域土地面积变化的影响在逐渐扩大。

(3)1990—2013年洋河流域土地利用的年总生态服务价值减小, 耕地、草地和水域的生态服务价值呈减少趋势, 林地和未利用地的生态服务价值呈增加趋势。林地生态服务价值增加主要集中于阳高县、万全县和兴和县, 因为三县境内的林地面积增加。林地和耕地对洋河流域生态服务价值变化有放大和缩小效应, 是主要贡献因子和敏感因子。

(4)1990—2013年流域各项生态服务功能价值呈1990—2000年增加, 2000—2013年减小, 总体减小的趋势。洋河流域一级生态服务功能价值由大到小依次是：调节服务功能>支持服务功能>供给服务功能>文化服务功能；二级生态服务功能价值的顺序：土壤形成与保护功能>生物多样性保护>水源涵养>气候调节>气体调节>废物处理>原材料生产>提供美学景观>粮食生产。